चुम्बकत्व | General Awareness & Knowledge for RRB NTPC (Hindi) - RRB NTPC/ASM/CA/TA PDF Download

परिचय

चुम्बकत्व (Magnetism) भौतिकी का एक मौलिक सिद्धांत है जो चुम्बकों की विशेषताओं और व्यवहार का अध्ययन करता है। चुम्बक वे पदार्थ होते हैं जो कुछ विशेष पदार्थों जैसे लोहे (iron) को आकर्षित कर सकते हैं। यह अध्ययन न केवल चुम्बकों के प्रकारों और विशेषताओं को कवर करता है बल्कि चुम्बकीय क्षेत्रों और बलों के सिद्धांतों में भी गहराई से जाता है।

• एक चुम्बक ऐसा पदार्थ है जो लोहे के वस्तुओं को आकर्षित कर सकता है।
• एक प्राकृतिक चुम्बक लोहे का एक अयस्क है (Fe3O4) जिसे मैग्नेटाइट (magnetite) या लोडस्टोन (lodestone) कहा जाता है।
• एक चुम्बक जो कृत्रिम रूप से तैयार किया गया है, उसे कृत्रिम चुम्बक (artificial magnet) कहा जाता है। उदाहरण के लिए:
• एक स्वतंत्र रूप से लटकता चुम्बक हमेशा उत्तर-दक्षिण (North-South) दिशा में संरेखित होता है। समान चुम्बकीय ध्रुव एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं और असमान चुम्बकीय ध्रुव एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं।
• एक विद्युत धारा ले जाने वाली कुंडली जिसमें नरम लोहे का कोर होता है, उसे इलेक्ट्रोमैग्नेट (electromagnet) कहा जाता है।
• इलेक्ट्रोमैग्नेट का उपयोग इलेक्ट्रिक बेल, टेलीग्राफ रिसीवर, टेलीफोन डाइफ्राम, ट्रांसफार्मर, डायनेमो आदि में किया जाता है।
• स्थायी चुम्बक स्टील (steel) से बने होते हैं और अस्थायी चुम्बक या इलेक्ट्रोमैग्नेट नरम लोहे से बने होते हैं क्योंकि स्टील को आसानी से चुम्बकीय नहीं बनाया जा सकता, लेकिन जब इसे एक बार चुम्बकीय किया जाता है, तो इसे आसानी से गैर-चुम्बकीय नहीं किया जा सकता। नरम लोहे को आसानी से चुम्बकीय या गैर-चुम्बकीय किया जा सकता है।

चुम्बक के गुण

• आकर्षक विशेषता: एक चुंबक छोटे चुंबकीय पदार्थों जैसे लोहे, स्टील, कोबाल्ट, निकेल आदि को आकर्षित कर सकता है। आकर्षण ध्रुवों पर अधिकतम होता है। विपरीत ध्रुव आकर्षित करते हैं और समान ध्रुव एक-दूसरे को दूर करते हैं।
• निर्देशात्मक विशेषता: एक चुंबक, जब स्वतंत्र रूप से लटका होता है, तो यह लगभग भूगर्भीय उत्तर-दक्षिण (N-S) रेखा के अनुसार संरेखित होता है।
• चुंबकीय ध्रुव जोड़ी में होते हैं: यदि एक चुंबक को उसकी लंबाई के पार दो समान भागों में काटा जाए, तो चुंबक के N और S-ध्रुव अलग नहीं होते।

चुंबकीय क्षेत्र:

• एक चुंबक या वर्तमान प्रवाहित करने वाले चालक के चारों ओर का स्थान, जिसमें इसके चुंबकीय प्रभाव का अनुभव किया जा सकता है, उसे चुंबकीय क्षेत्र कहा जाता है।
• चुंबकीय बल रेखाएँ एक काल्पनिक रेखा होती हैं जो चुंबकीय क्षेत्र में खींची जाती हैं, जिस पर एक चुंबकीय उत्तर ध्रुव गति करेगा, यदि उसे स्वतंत्र रूप से करने दिया जाए।
• चुंबकीय बल रेखा के किसी भी बिंदु पर खींची गई एक टेढ़ी रेखा उस बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र की दिशा को दर्शाती है।
• किसी सतह से जुड़े हुए चुंबकीय प्रवाह की मात्रा उस सतह के माध्यम से सामान्य रूप से गुजरने वाली कुल चुंबकीय बल रेखाओं की संख्या के बराबर होती है। इसका एकक वेबर है।
  चुंबकीय प्रवाह, φ = B . A = BA cos θ

चुंबकीय बल: समान चुंबकीय क्षेत्र में गति कर रहे एक आवेश पर कार्य करने वाला बल।

चुंबकीय बल एक गतिशील आवेश पर एक चुंबकीय क्षेत्र में होता है। इसे निम्नलिखित समीकरण द्वारा व्यक्त किया जाता है: F = Bqv sin θ जहाँ,

• B = चुंबकीय क्षेत्र
• q = आवेश
• v = गति
• θ = गति की दिशा और चुंबकीय क्षेत्र के बीच का कोण।

एक समान चुंबकीय क्षेत्र में करंट वहन करने वाले चालक पर कार्यरत चुंबकीय बल

• यदि एक चालक जिसमें I तत्व है, चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है, तो उस पर कार्यरत चुंबकीय बल निम्नलिखित समीकरण द्वारा दिया जाता है: F = Bil sin θ जहाँ,
• l = चालक के माध्यम से बहने वाली विद्युत धारा
• l = चालक की लंबाई
• θ = धारा की दिशा और चुंबकीय क्षेत्र के बीच का कोण।
• इस बल की दिशा को फ्लेमिंग के बाएँ हाथ के नियम द्वारा ज्ञात किया जा सकता है। यदि हम बाएँ हाथ की अंगूठी को इस प्रकार फैलाते हैं कि अंगूठा, तर्जनी और मध्यमा एक-दूसरे के प्रति लंबवत हों, और यदि तर्जनी चुंबकीय क्षेत्र की दिशा को दर्शाती है, तथा मध्यमा चालक के माध्यम से बहने वाली धारा की दिशा को दर्शाती है, तो अंगूठा चुंबकीय बल की दिशा को दर्शाएगा।

पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र

• पृथ्वी का अपना एक चुंबकीय क्षेत्र है और यह पृथ्वी के केंद्र में स्थित एक चुंबकीय डिपोल के समान है। पृथ्वी के भौगोलिक उत्तर के निकट का ध्रुव चुंबकीय उत्तर ध्रुव कहलाता है। इसी प्रकार, भौगोलिक दक्षिण ध्रुव के निकट का ध्रुव चुंबकीय दक्षिण ध्रुव कहलाता है।
• पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र अंतरिक्ष से आने वाले आवेशित कणों को अपने ध्रुवों की ओर मोड़ता है और जीवों को गंभीर नुकसान से बचाता है।
• चुंबकीय कंपास - एक चुंबकीय सुई जो हमेशा उत्तर-दक्षिण (N-S) दिशा में निर्देशित होती है।
• तटस्थ बिंदु - चुंबकीय क्षेत्र में एक बिंदु जहाँ कुल चुंबकीय क्षेत्र शून्य होता है।

चुंबकीय तूफान

पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र में स्थानीय विघटन, जो दूरसंचार को नुकसान पहुंचा सकता है और संभवतः सूर्य से उत्पन्न चार्ज पार्टिकल्स के समूह के कारण होता है, उसे चुंबकीय तूफान कहा जाता है।

समान चुंबकीय क्षेत्र में कॉइल के स्थान

• जब एक कॉइल, जिसमें N संख्या में मोड़ होते हैं, प्रत्येक का क्रॉस सेक्शन क्षेत्र A होता है और जो धारा I प्रवाहित करता है, को एक समान चुंबकीय क्षेत्र B में रखा जाता है, तो उस पर एक टॉर्क कार्य करता है, जो इसे घुमाने की कोशिश करता है। टॉर्क, τ = NBIA sin θ जहाँ, θ वह कोण है जो चुंबकीय क्षेत्र की दिशा और कॉइल के तल के सामान्य के बीच बनता है।
• केंद्रीय चुंबकीय क्षेत्र में, θ = 90° इसलिए τmax = NBIA।

मूविंग कॉइल गैल्वानोमीटर

• एक मूविंग कॉइल गैल्वानोमीटर का उपयोग किसी भी सर्किट में धारा की उपस्थिति और धारा की दिशा का पता लगाने के लिए किया जाता है।
• जब एक कॉइल, जो एक चुंबकीय क्षेत्र में निलंबित होता है, में धारा प्रवाहित की जाती है, तो उस पर एक टॉर्क कार्य करता है।
• जैसे ही कॉइल घूमता है, फॉस्फर ब्रॉन्ज स्ट्रिप पर एक पुनर्स्थापन टॉर्क कार्य करता है, जो उसमें उत्पन्न मोड़ के कारण होता है।
• संतुलन की स्थिति में, दोनों टॉर्क समान हो जाते हैं, जिससे सूचक एक क्षण के लिए रुकता है और कॉइल विपरीत दिशा में घूमना शुरू करता है।

एममीटर और वोल्टमीटर

• एमिटर एक उपकरण है जिसे इलेक्ट्रिक करंट को मापने के लिए डिज़ाइन किया गया है और इसे सर्किट में श्रृंखला में जोड़ा जाना चाहिए।
• वोल्टमीटर एक उपकरण है जिसका उपयोग इलेक्ट्रिक सर्किट में दो बिंदुओं के बीच संभावित अंतर को मापने के लिए किया जाता है।
• एक आदर्श वोल्टमीटर की प्रतिरोध अनंत होती है। इसे हमेशा समानांतर में जोड़ा जाता है।
• एक गैल्वनोमीटर को वोल्टमीटर में बदलने के लिए, इसे श्रृंखला में एक उच्च प्रतिरोध जोड़ा जाता है।

शंट एक छोटा प्रतिरोध है जो लोड प्रतिरोध के साथ समानांतर जोड़ा जाता है ताकि प्रतिरोधक के माध्यम से इलेक्ट्रिक करंट की मात्रा को कम किया जा सके।

चुम्बकीय पदार्थ

चुम्बकीय पदार्थों के तीन प्रकार होते हैं: पैरामैग्नेटिक, डायमैग्नेटिक और फेरोमैग्नेटिक।

पैरामैग्नेटिक पदार्थ

• वे पदार्थ जो मजबूत चुम्बकीय क्षेत्र में रखे जाने पर चुम्बकीय क्षेत्र की दिशा में हल्का चुम्बकीय गुण प्रदर्शित करते हैं, उन्हें पैरामैग्नेटिक पदार्थ कहा जाता है। उदाहरण के लिए:
• एल्युमिनियम, प्लैटिनम, क्रोमियम, मैंगनीज, आयरन के लवण के समाधान, निकेल, ऑक्सीजन आदि।
• ये पदार्थ असमान चुम्बकीय क्षेत्र में मजबूत चुम्बकीय क्षेत्र की ओर आकर्षित होते हैं।
• इन पदार्थों की चुम्बकिता तापमान बढ़ने के साथ कम होती है।

डायमैग्नेटिक पदार्थ

विरोधी चुंबकीय पदार्थ

• वे पदार्थ जो मजबूत चुंबकीय क्षेत्र में रखे जाने पर चुंबकीय क्षेत्र के विपरीत दिशा में कमजोर चुंबकीकरण करते हैं, उन्हें विरोधी चुंबकीय पदार्थ कहा जाता है। उदाहरण के लिए:
• सोना, चांदी, जस्ता, तांबा, पारा, पानी, शराब, हवा, हाइड्रोजन आदि।
• ये पदार्थ गैर-समान चुंबकीय क्षेत्र में कमजोर चुंबकीय क्षेत्र की ओर आकर्षित होते हैं।
• इन पदार्थों में उत्पन्न चुंबकत्व का तापमान बढ़ने या घटने पर कोई परिवर्तन नहीं होता है।

फेरोमैग्नेटिक पदार्थ

• वे पदार्थ जो चुंबकीय क्षेत्र में रखे जाने पर चुंबकीय क्षेत्र की दिशा में मजबूत चुंबकीकरण करते हैं, उन्हें फेरोमैग्नेटिक पदार्थ कहा जाता है। उदाहरण के लिए:
• लोहे, निकेल, कोबाल्ट आदि।
• इन पदार्थों में उत्पन्न चुंबकत्व का तापमान बढ़ने पर घटता है और एक विशेष तापमान पर, जिसे क्यूरी तापमान कहा जाता है, एक पैरामैग्नेटिक पदार्थ विरोधी चुंबकीय हो जाता है।
• क्यूरी का नियम है, Xm ∝ 1/T जहां, Xm = पैरामैग्नेटिक पदार्थ की चुंबकीय संवेदनशीलता और T = तापमान।
• लोहे का क्यूरी तापमान 770°C और निकेल का 358°C है।
• 2016 में, भौतिकी का नोबेल पुरस्कार तीन सैद्धांतिक शोधकर्ताओं को उनके असामान्य चरणों में पदार्थ के अजीब व्यवहार के अंतर्दृष्टि के लिए दिया गया। जैसे कि सुपरकंडक्टर्स, सुपरफ्लुइड फिल्में और कुछ प्रकार के चुंबक। उन्होंने पदार्थ की बहुत पतली परतों या अत्यधिक चुंबकीय क्षेत्रों के साथ होने वाले अजीब परिवर्तनों की खोज की।

इलेक्ट्रोमैग्नेटिक प्रेरणा (EMI)

जब किसी विद्युत परिपथ से जुड़े चुंबकीय प्रवाह में परिवर्तन होता है, तो परिपथ में एक emf उत्पन्न होता है। इस प्रक्रिया को चुंबकीय प्रेरण (electromagnetic induction) कहा जाता है।

फैराडे के EMI के नियम

• जब भी किसी परिपथ से जुड़े चुंबकीय प्रवाह में परिवर्तन होता है, तो उसमें एक प्रेरित emf उत्पन्न होता है।
• जब तक चुंबकीय प्रवाह में परिवर्तन जारी रहता है, तब तक प्रेरित emf भी बना रहता है।
• प्रेरित emf का परिमाण चुंबकीय प्रवाह में परिवर्तन की दर के अनुपात में होता है, अर्थात्, जहाँ, N = 1, 2, 3… अनुपात का स्थिरांक और नकारात्मक चिह्न लेंज के नियम (Lenz’s law) को दर्शाता है।

लेंज का नियम

• प्रेरित emf या प्रेरित धारा की दिशा हमेशा ऐसी होती है कि यह उस कारण का विरोध करती है जिसके कारण यह उत्पन्न होती है। लेंज का नियम ऊर्जा के संरक्षण के अनुसार है।

गतिशील EMF

• यदि एक लम्बाई l की छड़ चुंबकीय क्षेत्र B में गति v के साथ चलती है, तो इसमें उत्पन्न होने वाला प्रेरित emf इस सूत्र द्वारा दिया जाता है: E = (B × v) l = Bvl sin θ, जहाँ, θ = चालक की गति v और चुंबकीय क्षेत्र B के बीच का कोण।

फ्लेमिंग का दाहिना हाथ नियम

यदि हम अपने दाहिने हाथ की अंगूठी, तर्जनी और मध्य अंगुली को इस प्रकार खींचते हैं कि सभी तीन एक-दूसरे के प्रति लंबवत हों, और यदि अंगूठी गति की दिशा का प्रतिनिधित्व करती है, तर्जनी चुंबकीय क्षेत्र की दिशा का प्रतिनिधित्व करती है, तो मध्य अंगुली प्रेरित धारा की दिशा का प्रतिनिधित्व करेगी।

एडी करंट

यदि एक धातु के टुकड़े को एक परिवर्तनीय चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है या इसे एक समान चुंबकीय क्षेत्र में उच्च गति से घुमाया जाता है, तो उस धातु के टुकड़े में उत्पन्न करंट एक वायु के चक्रवात की तरह होता है, जिसे एडी करंट कहा जाता है, जिसे फोकॉल्ट का करंट भी कहा जाता है।

उपयोग

• एडी करंट का उपयोग डेड बीट गैल्वानोमीटर, इंडक्शन फर्नेस, इंडक्शन मोटर, स्पीडोमीटर आदि में किया जाता है।
• एडी करंट का उपयोग डायथर्मी में मानव शरीर के गहरे ताप उपचार के लिए किया जाता है।

स्वयं और आपसी प्रेरणा

• एक सर्किट में प्रेरित ई.एम.एफ. का उत्पादन उस वर्तमान में परिवर्तन के कारण होता है जो स्वयं में बह रहा है, इसे स्वयं प्रेरणा कहा जाता है।
• एक कुंडली के साथ संबंधित चुंबकीय प्रवाह φ = LI है, जहाँ, L = स्वयं प्रेरणा का गुणांक और I = वर्तमान।
• स्वयं प्रेरणा की इकाई हेनरी (H) है।
• एक कुंडली के स्वयं प्रेरणा का गुणांक उस कुंडली में उत्पन्न ई.एम.एफ. के संख्यात्मक मान के बराबर है जब कुंडली के माध्यम से वर्तमान का परिवर्तन दर एकता है।
• एक सर्किट में प्रेरित ई.एम.एफ. का उत्पादन उसके पड़ोसी सर्किट में चुंबकीय प्रवाह में परिवर्तन के कारण होता है, इसे आपसी प्रेरणा कहा जाता है।
• दो कुंडलियों का आपसी प्रेरणा का गुणांक (M) एक कुंडली में उत्पन्न ई.एम.एफ. के संख्यात्मक मान के बराबर होता है जब दूसरी कुंडली के माध्यम से वर्तमान का परिवर्तन दर एकता है।
• आपसी प्रेरणा के मामले में, संबंधित प्रवाह φ = MI द्वारा दिया गया है।
• इसकी इकाई हेनरी (H) है।

वैकल्पिक धारा

एक विद्युत धारा जिसकी मात्रा और दिशा निरंतर बदलती रहती है, उसे वैकल्पिक धारा (Alternating Current) कहा जाता है। वैकल्पिक धारा को निम्नलिखित रूप में दर्शाया जाता है: I = I0 sin ωt जहाँ, I0 = वैकल्पिक धारा का पीक मान और ω = वैकल्पिक धारा की कोणीय आवृत्ति।

• वैकल्पिक वोल्टेज को इस प्रकार दिया जाता है: V = V0 sin ωt जहाँ, V0 = वैकल्पिक वोल्टेज का पीक मान और ω = वैकल्पिक वोल्टेज की कोणीय आवृत्ति।
• भारत में वैकल्पिक धारा की आवृत्ति 50 Hz है।
• वैकल्पिक धारा का औसत मान एक पूरे चक्र के लिए शून्य होता है। लेकिन इसके आधे चक्र के लिए इसका औसत मान इस प्रकार दिया जाता है:
• AC का रूट मीन स्क्वायर मान इस प्रकार दिया जाता है:
• इसी प्रकार, वैकल्पिक वोल्टेज का रूट मीन स्क्वायर मान इस प्रकार दिया जाता है:
• एक AC ऐमीटर और AC वोल्टमीटर क्रमशः वैकल्पिक धारा और वैकल्पिक वोल्टेज के रूट मीन स्क्वायर मान को पढ़ते हैं।

AC जनरेटर या Dynamo

• यह एक उपकरण है जो यांत्रिक ऊर्जा को वैकल्पिक धारा में परिवर्तित करता है।
• इसका कार्य electromagnetic induction पर आधारित है।
• AC जनरेटर द्वारा उत्पन्न induced emf इस प्रकार दिया जाता है: e = NBAω sin ωt = e0 sin ωt
• AC जनरेटर के चार मुख्य भाग होते हैं:
• Armature: यह एक आयताकार कंडक्टर है जिसमें इन्सुलेटेड कॉपर तार के कई मोड़ होते हैं।
• Field magnets: ये एक मजबूत इलेक्ट्रोमैग्नेट के दो ध्रुवीय टुकड़े होते हैं।
• Slip rings: ये दो खोखले धातु के छल्ले होते हैं।
• Brushes: ये दो लचीले धातु या कार्बन की छड़ियाँ होती हैं जो स्लिप रिंग के साथ थोड़ी देर संपर्क में रहती हैं।

DC Motor

यह एक उपकरण है जो विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करता है।

• एक DC जनरेटर या डायनेमो में स्लिप रिंग या कम्यूटेटर होते हैं।
• इसका कार्य इस तथ्य पर आधारित है कि जब एक धारा ले जाने वाला कुंडल एक समान चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है, तो उस पर एक टॉर्क कार्य करता है।
• एक समान चुंबकीय क्षेत्र में रखे गए धारा ले जाने वाले कुंडल पर कार्य करने वाला टॉर्क τ = NBIA sin θ है।
• जब आर्मेचर कुंडल घूमता है, तो कुंडल में एक बैक ईएमएफ (उत्पन्न ईएमएफ) उत्पन्न होता है।
• एक मोटर की दक्षता (η) = बैक ईएमएफ/लागू ईएमएफ = E/V है।

ट्रांसफार्मर

• यह एक उपकरण है जो कम वोल्टेज धारा को उच्च वोल्टेज धारा में और इसके विपरीत बदल सकता है।
• इसका कार्य म्यूचुअल इंडक्शन पर आधारित है।
• ट्रांसफार्मर के दो प्रकार होते हैं।

स्टेप-अप ट्रांसफार्मर

• यह कम वोल्टेज धारा को उच्च वोल्टेज धारा में परिवर्तित करता है।
• इस ट्रांसफार्मर में, Ns > Np, Es > Ep और Ip < is="" होता="" />

जहां, Ns = सेकेंडरी कुंडल में लिपटे मोड़ों की संख्या
Np = प्राइमरी कुंडल में लिपटे मोड़ों की संख्या
Es = सेकेंडरी कुंडल में उत्पन्न ईएमएफ
Ep = प्राइमरी कुंडल में उत्पन्न ईएमएफ
Ip = प्राइमरी कुंडल में धारा
Is = सेकेंडरी कुंडल में धारा।

स्टेप-डाउन ट्रांसफार्मर

• यह एक उच्च वोल्टेज करंट को निम्न वोल्टेज करंट में बदलता है।
• इस ट्रांसफार्मर में, Ns < />, Es < /> और Ip > Is होते हैं।
• परिवर्तन अनुपात (K)
  • स्टेप-अप ट्रांसफार्मर के लिए, K > 1
  • स्टेप-डाउन ट्रांसफार्मर के लिए, K < />
• एक ट्रांसफार्मर में मुख्य ऊर्जा हानियाँ निम्नलिखित हैं –
  • आयरन लॉस
  • फ्लक्स लॉस
  • हाइस्टेरिसिस लॉस
  • हम्मिंग लॉस (ओह्मिक लॉस)